一文弄懂波动光学中的“衍射反比律”
2021-08-29
来源:光电资讯
光波衍射反比律和光场空间相干性反比律以及光场时间相干性反比律,称为波动光学三个反比律,它们简明而深刻地体现了波传播行为的特征和波场的主要性质,是人们深切理解波动性而必须具备的基本认识。今天我们为大家带来的是波动光学中的“衍射反比律”!
光波波前一旦受限,必将发生衍射,如图1所示。
其光孔线度a与相应的衍射发散角图片之乘积, 近似地等于光波长图片即
被我们称为衍射反比律的式(1),写成近似式以使它更具普遍性,虽然对于单狭缝或距孔,等式是成立的。
对于其它光孔,右边波长一量前面之系数, 将偏离1或大或小,比如对于圆孔图片这里D系圆孔直径必须指出,对于任意形状的光孔,以式(1)估算其衍射发散角是比较实用的,其中线度a应理解为它的特征线度,推广至二维情形,衍射反比律表现为:
衍射反比律在认识论上和应用上具有多方面的意义,其中包括以下几个方面:
1,衍射反比律鲜明地反映了波动具有反限制的行为特征,其波前越加被限制,则其后场的弥散越加宽广,这是一切波动的共性,并非仅限于光波,也适用于微波和X射线,也适用于声波,水波和固体中的弹性波。
2,衍射反比律指明了几何光学的适用范围,若衍射发散角为零,则意味着光波经光孔无衍射,光波沿直线传播,这是几何光学的实验基础,衍射反比律明确地给出了图片的条件,或图片或图片则图片。
故人们说,几何光学是光波长趋于零条件下波动光学的极限传播行为,这显然是一个近似,因为波长不可能为零。然而当波长图片时,衍射发散角图片甚小,此时几何光学给出的结论是一个很好的近似。
3,衍射反比律蕴含一种放大原理,当光孔几何线度越小,或广义上说,当作为衍射物的结构越细微,则光波衍射的角范围越大,在远处生成的衍射图样越宽广,人们便于对衍射图样进行观测,再作反演而获得光孔或微结构的信息。
当然,这是一种衍射放大,并非投影仪或电影机那样的几何相似放大,衍射放大本质上是一种光学变换,只要我们掌握了这种变换关系,就能从衍射图样的反演即逆变换下,获得微结构的特征信息,甚至可以重构微结构的三维图像,诞生于20世纪前二十年代的衍射结构分析学,至今仍然是人类获取凝聚态物质微结构的主要手段。
4,衍射反比律在近代光基技术中有直接的应用。

